王 昱 吳 鵬 曾志雄 王廣海 董 冰 呂恩利
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院, 廣州 510642; 2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642)
隨著我國生豬養(yǎng)殖規(guī)?;⒓s化程度的不斷提高,畜禽養(yǎng)殖引起的空氣污染問題日益突出。豬舍向環(huán)境排放大量未經(jīng)處理的氨氣(NH3)、硫化物(H2S)、顆粒物(Particulate matters,PM)和揮發(fā)性有機(jī)物(Volatile organic compounds,VOCs)等空氣污染物,其中,氨氣是空氣污染物中的主要成分之一。氨的大量排放不僅對畜禽場人畜健康造成危害,而且造成水體富營養(yǎng)化污染和土壤酸化等,同時(shí)還會加劇霧霾天氣以及酸雨的形成。因此,對畜禽養(yǎng)殖環(huán)境下氨氣減排的研究已成為當(dāng)前全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1-2]。
規(guī)?;i舍廢氣防治措施主要包括源頭減排、過程控制和末端凈化[3-5]。相較于前兩種,末端凈化因采用智能控制方式,具有凈化效率高、運(yùn)行可靠、操作簡單以及人力成本低等優(yōu)勢,被認(rèn)為是最主要的廢氣處理措施,符合國內(nèi)外豬場大規(guī)模應(yīng)用的需求。
國內(nèi)外針對末端凈化的研究多集中于酸洗法和生物法領(lǐng)域,且大多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,采用單一方法去除廢氣中的主要污染成分。如構(gòu)建無填料的多級酸式洗滌塔,采用順流與逆流的交叉噴淋去除氨氣,通過合理排布噴嘴位置與控制噴淋液滴大小等方式,增大氣流與酸性洗滌液的接觸面,提升凈化效率[6-8]。另外,立式生物滴濾池技術(shù)也被應(yīng)用于末端廢氣凈化,但存在需要嚴(yán)格控制微生物生存環(huán)境、不適宜去除高濃度廢氣等問題[9-14]。目前,采用網(wǎng)格填料、化學(xué)法與水洗法相結(jié)合的臥式復(fù)合凈化系統(tǒng)對豬舍廢氣凈化效果的研究較少,并且國內(nèi)在此類畜禽舍廢氣凈化設(shè)備與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用方面也存在不足。
本文設(shè)計(jì)一種基于PLC控制系統(tǒng)的豬舍廢氣復(fù)合凈化系統(tǒng),主要應(yīng)用于規(guī)?;i舍的末端廢氣凈化,以實(shí)現(xiàn)廢氣處理的智能化,為畜禽養(yǎng)殖廢氣處理系統(tǒng)的控制優(yōu)化提供參考借鑒。
本系統(tǒng)主要由主控制室、廢氣收集壓力室和廢氣凈化單元3部分組成,整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)安裝在豬舍末端的負(fù)壓風(fēng)機(jī)組外側(cè),負(fù)壓風(fēng)機(jī)組、廢氣收集壓力室與廢氣凈化單元橫向依次接續(xù)連為一體,主控制室置于系統(tǒng)的側(cè)面。
圖1 整體結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Sketches of overall structure1.控制電箱 2.噴淋電磁閥 3.壓差傳感器 4.螺旋型噴嘴 5.手控球閥 6.塑料網(wǎng)格填料 7.蓄液池 8.酸洗泵 9.pH值傳感器 10.電導(dǎo)率傳感器 11.液位傳感器 12.硫酸計(jì)量泵 13.供水電磁閥 14.排廢電磁閥 15.末端負(fù)壓風(fēng)機(jī)組 16.廢氣收集壓力室 17.水洗凈化單元 18.水洗泵 19.回水電磁閥 20.酸洗凈化單元 21.地溝風(fēng)機(jī)組
主控制室包括控制電箱、傳感器和執(zhí)行設(shè)備等;廢氣收集壓力室連接負(fù)壓風(fēng)機(jī)組與廢氣凈化單元,使由負(fù)壓風(fēng)機(jī)組吸入的廢氣氣流和濃度達(dá)到平衡狀態(tài);廢氣凈化單元是凈化豬舍廢氣的反應(yīng)部分,由酸洗凈化單元與水洗凈化單元兩部分組成,包括縱向放置的塑料網(wǎng)格填料、安裝有噴嘴的噴淋管道以及盛有洗滌液的蓄液池等。廢氣凈化單元頂端噴嘴安裝于頂部噴淋主管道,正面噴嘴安裝于中部噴淋支管道,各噴淋支管道裝有手控閥門,用以調(diào)節(jié)水泵近遠(yuǎn)端、上下支管的水壓平衡,保證噴淋流量的均衡。用戶通過主控制室內(nèi)的控制電箱實(shí)時(shí)監(jiān)控凈化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并可以進(jìn)入壓力室內(nèi)對廢氣凈化單元進(jìn)行定期清理。整個(gè)豬舍復(fù)合凈化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、通風(fēng)阻力小,符合當(dāng)今智能畜牧裝備的研發(fā)趨勢。
豬舍內(nèi)的廢氣經(jīng)末端的負(fù)壓風(fēng)機(jī)組吸入復(fù)合凈化系統(tǒng)內(nèi),經(jīng)過至少3 m長度的廢氣收集壓力室均勻混合后導(dǎo)流進(jìn)入廢氣凈化單元中[15],蓄液池中的洗滌液會被水泵吸入噴淋管道中,提升至頂端及正面的噴嘴后呈圓錐狀噴出至填料均勻加濕,由于填料本身較大的比表面積,洗滌液的液滴會大量附著,廢氣與液滴緊密接觸,極大地增加了反應(yīng)時(shí)間和接觸面積,顯著提升氣-液傳質(zhì)效率。反應(yīng)生成的水溶性離子隨洗滌液一起流入蓄液池內(nèi)完成循環(huán),從而達(dá)到凈化廢氣的目的。
(1)
該凈化系統(tǒng)針對運(yùn)行方式和凈化效果,設(shè)計(jì)有“自動/手動”模式與“高效/經(jīng)濟(jì)”模式,通過操作控制電箱面板上的“自動/手動”模式旋鈕開關(guān)和“高效/經(jīng)濟(jì)”模式按鈕開關(guān),用戶可以根據(jù)實(shí)際需要靈活切換系統(tǒng)控制模式。
“自動”模式下,控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)的動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù),自動控制凈化系統(tǒng)完成供水、加酸、噴淋和排廢4個(gè)工作環(huán)節(jié);“手動”模式下,旋轉(zhuǎn)開關(guān)啟停單個(gè)執(zhí)行設(shè)備,手動控制凈化系統(tǒng)完成單個(gè)工作環(huán)節(jié)。“高效”模式下,酸洗、水洗凈化單元分別使用硫酸的水溶液和清水作為洗滌液,凈化效果顯著,系統(tǒng)運(yùn)行成本較高;“經(jīng)濟(jì)”模式下,酸洗、水洗凈化單元均使用清水作為洗滌液,凈化效果一般,系統(tǒng)運(yùn)行成本較低??刂齐娤涿姘逶O(shè)計(jì)有人機(jī)交互界面和信號指示燈,實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)和報(bào)警信息,直觀表達(dá)動態(tài)控制流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Sketch of control system structure
控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以PLC為控制核心,觸摸屏作為人機(jī)交互界面,包括主控制模塊、監(jiān)測模塊、執(zhí)行模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊和信號指示燈模塊,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。PLC、“高效/經(jīng)濟(jì)”模式按鈕開關(guān)、“自動/手動”模式旋鈕開關(guān)、24 V中間繼電器和220 V接觸器組成主控器模塊,pH值傳感器、電導(dǎo)率傳感器、液位傳感器、壓差傳感器和壓力傳感器組成監(jiān)測模塊,洗滌泵、硫酸計(jì)量泵、供水電磁閥、噴淋電磁閥、排廢電磁閥和回水電磁閥組成執(zhí)行模塊。監(jiān)測模塊采集凈化系統(tǒng)內(nèi)的動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)傳遞至PLC,PLC發(fā)送指令控制執(zhí)行模塊動作,完成系統(tǒng)工作流程。電源模塊包括斷路器、相序繼電器、浪涌保護(hù)器、電機(jī)保護(hù)器和開關(guān)電源,為控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定供電。信號指示燈模塊分為設(shè)備狀態(tài)指示燈組和設(shè)備報(bào)警指示燈組兩部分,根據(jù)指示燈的亮/滅分別指示設(shè)備的開啟/停止和水壓的正常/異常??刂葡到y(tǒng)電路簡圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)電路簡圖Fig.3 Internal connection of control electrical box
PLC在控制系統(tǒng)中主要完成采集監(jiān)測模塊的模擬量信號并輸出開關(guān)量信號控制執(zhí)行模塊運(yùn)行,通過串口通訊建立與觸摸屏的連接。PLC 具體型號依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)、I/O端口數(shù)、參考精度和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行選擇[21-22]。為滿足系統(tǒng)需求和中試運(yùn)行,選擇杭州優(yōu)穩(wěn)UW2103型PLC,PLC端口分配如表1所示。該型PLC集成嵌入式32位CPU核心,共有6路AI端口、12路通用DI/DO端口和2路AO端口,支持采用RS485或以太網(wǎng)通信方式,具有編程性強(qiáng)、可靠性高、功耗低、易維護(hù)以及成本低等特點(diǎn),可以保證控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。
選用北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司生產(chǎn)的TPC1061TX觸摸屏作為控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面,通過RS485通信方式與PLC建立連接,是一款以Cortex-A8 CPU為核心(主頻600 MHz)的高性能嵌入式一體化觸摸屏,預(yù)裝MCGS嵌入式組態(tài)軟件(運(yùn)行版),采用10.2英寸的TFT液晶顯示屏(分辨率1 024像素×600像素),額定功率5.5 W,功耗低,具備強(qiáng)大的圖像顯示和數(shù)據(jù)處理功能[23]。
表1 PLC端口分配Tab.1 Distribution of PLC port
復(fù)合凈化系統(tǒng)自動運(yùn)行中,影響系統(tǒng)凈化效果的主要因素是蓄液池中洗滌液的pH值和電導(dǎo)率,這兩項(xiàng)值可以衡量洗滌液的酸性和潔凈程度,因此將pH值、電導(dǎo)率設(shè)定為控制系統(tǒng)的優(yōu)先控制因素,對影響控制系統(tǒng)自動運(yùn)行的pH值、電導(dǎo)率和液位采用雙限值的調(diào)控策略,實(shí)現(xiàn)凈化系統(tǒng)各工作環(huán)節(jié)的穩(wěn)定控制。pH值分設(shè)上限值和下限值,上限值表示系統(tǒng)觸發(fā)加酸環(huán)節(jié)的洗滌液pH值,下限值表示系統(tǒng)停止加酸環(huán)節(jié)的洗滌液pH值;電導(dǎo)率分設(shè)上限值和高臨值,上限值表示系統(tǒng)觸發(fā)排廢環(huán)節(jié)的洗滌液電導(dǎo)率,高臨值表示系統(tǒng)可以觸發(fā)加酸環(huán)節(jié)的洗滌液電導(dǎo)率最大值,該值下繼續(xù)加酸將導(dǎo)致電導(dǎo)率升高,易觸發(fā)排廢環(huán)節(jié);液位分設(shè)上限值和下限值,上限值表示蓄液池自動補(bǔ)水至設(shè)定的高度,下限值表示系統(tǒng)觸發(fā)蓄液池自動補(bǔ)水的高度。
控制系統(tǒng)通電后,PLC接收“高效/經(jīng)濟(jì)”模式按鈕開關(guān)發(fā)出的開關(guān)量信號,判斷凈化系統(tǒng)進(jìn)入“高效”或是“經(jīng)濟(jì)”模式。酸洗凈化程序流程圖如圖4所示,酸洗凈化單元在“高效”模式下,當(dāng)洗滌液的電導(dǎo)率低于設(shè)定的高臨值,開啟酸洗泵,凈化系統(tǒng)進(jìn)入噴淋環(huán)節(jié),開始廢氣處理過程,若此時(shí)洗滌液的pH值高于設(shè)定的上限值,開啟硫酸計(jì)量泵,完成定時(shí)定量加酸后關(guān)閉,系統(tǒng)定時(shí)運(yùn)行噴淋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)pH值穩(wěn)定,此時(shí)洗滌液的pH值已接近下限值,再次開啟硫酸計(jì)量泵加酸,直至pH值達(dá)到下限值停止,目的是避免因酸溶解速度較慢導(dǎo)致pH監(jiān)測值滯后,無法準(zhǔn)確控制pH值,造成過量加酸;當(dāng)洗滌液的電導(dǎo)率大于高臨值小于上限值,凈化系統(tǒng)不再進(jìn)入加酸環(huán)節(jié),防止加酸后洗滌液內(nèi)電導(dǎo)率超過上限值觸發(fā)排廢環(huán)節(jié),造成酸的浪費(fèi);當(dāng)洗滌液的電導(dǎo)率大于設(shè)定的上限值,開啟排廢電磁閥和酸洗泵、關(guān)閉噴淋電磁閥,凈化系統(tǒng)停止噴淋進(jìn)入排廢環(huán)節(jié)。酸洗凈化單元在“經(jīng)濟(jì)”模式下,采用清水作為洗滌液處理廢氣,以電導(dǎo)率作為該模式下的優(yōu)先控制因素,控制過程相較于“高效”模式,系統(tǒng)將不再進(jìn)入加酸環(huán)節(jié)。復(fù)合凈化系統(tǒng)處于“高效”或是“經(jīng)濟(jì)”模式中,液位傳感器連續(xù)監(jiān)測洗滌液液面高度,若液面高度下降至設(shè)定的下限值,關(guān)閉洗滌泵停止噴淋、開啟供水電磁閥,控制系統(tǒng)自動補(bǔ)水至液面高度到達(dá)設(shè)定的上限值[24]。
圖4 酸洗凈化程序流程圖Fig.4 Flow chart of program for acid purification
水洗凈化單元不需要判斷系統(tǒng)的“高效/經(jīng)濟(jì)”模式,控制過程與酸洗凈化單元在“經(jīng)濟(jì)”模式下基本相同,水洗凈化程序流程圖如圖5所示。水洗凈化單元運(yùn)行中電導(dǎo)率增長緩慢,電導(dǎo)率上限值設(shè)定為小于酸洗電導(dǎo)率高臨值,系統(tǒng)觸發(fā)水洗排廢時(shí),若酸洗凈化單元的加酸和排廢環(huán)節(jié)未開啟,系統(tǒng)會根據(jù)兩單元的液位狀態(tài)開啟回水電磁閥,將需要排廢的洗滌液向酸洗凈化單元的蓄液池內(nèi)補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)洗滌液的重復(fù)利用。
圖5 水洗凈化程序流程圖Fig.5 Flow chart of program for washing purification
本凈化系統(tǒng)為防止凈化系統(tǒng)一直處于異常狀態(tài)運(yùn)行,控制系統(tǒng)設(shè)置了報(bào)警程序,全程監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù),并通過人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示4種報(bào)警信息,系統(tǒng)報(bào)警程序流程圖如圖6所示。若壓差高于設(shè)定的上限值,表示淤塞在過濾網(wǎng)中的固體顆粒較多,造成風(fēng)阻過大,進(jìn)而影響通風(fēng)效果;若液位低于設(shè)定的下限值,表示蓄液池內(nèi)洗滌液余量不足;若pH值低于設(shè)定的下限值,表示洗滌液酸性過高;若電導(dǎo)率大于設(shè)定的上限值,表示洗滌液內(nèi)水溶性離子濃度過高。
圖6 系統(tǒng)報(bào)警程序流程圖Fig.6 Flow chart of program for system alarm
MCGS嵌入版是一種專門用于快速構(gòu)建嵌入式上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和通信控制的組態(tài)軟件,可以將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)以動畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案[25]。
觸摸屏的人機(jī)交互界面通過MCGS嵌入式組態(tài)軟件設(shè)計(jì),基于RS485串口通信將PLC與觸摸屏建立連接,通過在MCGS組態(tài)軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫添加PLC的I/O通道,實(shí)現(xiàn)將PLC采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)讀入至觸摸屏軟件中,在觸摸屏上設(shè)置組態(tài)畫面,以動畫的形式對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)和控制參數(shù)設(shè)置進(jìn)行實(shí)時(shí)流動顯示,最小采集周期為100 ms。
根據(jù)復(fù)合凈化系統(tǒng)的監(jiān)控需求,人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)如圖7所示,由用戶登錄界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控界面和高級設(shè)置界面3部分組成[26-27]。其中,用戶登錄界面,根據(jù)操作人員屬性輸入密碼登錄至實(shí)時(shí)監(jiān)控界面,若是普通用戶,只具備查看實(shí)時(shí)監(jiān)控界面的權(quán)限,無法使用高級設(shè)置功能,凈化系統(tǒng)將以默認(rèn)參數(shù)運(yùn)行;若是高級用戶,具備使用所有功能的權(quán)限,可以按需配置凈化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù);實(shí)時(shí)監(jiān)控界面,流動呈現(xiàn)系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù),報(bào)警輸出系統(tǒng)異常狀態(tài),包括簾阻報(bào)警、缺水報(bào)警、過酸報(bào)警和污水報(bào)警4種異常狀態(tài);高級設(shè)置界面,用戶可以按需配置pH值、電導(dǎo)率、液位和壓差4項(xiàng)系統(tǒng)運(yùn)行關(guān)鍵參數(shù)。
圖8 進(jìn)出口氨氣質(zhì)量濃度、去除率及pH值變化曲線Fig.8 Changing curves of inport and export of ammonia, removal efficiency and pH value
圖7 人機(jī)交互界面Fig.7 Human machine interface
利用前期搭建的凈化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置完成控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試,進(jìn)行去除氨氣的模擬試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)通過超聲波霧化氨水的方法釋放氨氣,由負(fù)壓風(fēng)機(jī)將釋放出的氨氣吸入試驗(yàn)裝置,模擬豬舍末端排風(fēng)口排出的廢氣,經(jīng)凈化后橫向排出。試驗(yàn)裝置進(jìn)出口處裝有4~20 mA信號型氨氣傳感器,監(jiān)測進(jìn)出口處氨氣的質(zhì)量濃度,系統(tǒng)每5 s采集一次數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)存儲在PLC的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中,通過上位機(jī)軟件的報(bào)表管理器導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)表。待氨氣釋放穩(wěn)定后,分別就“高效”模式和“經(jīng)濟(jì)”模式下系統(tǒng)對氨氣的去除效果進(jìn)行連續(xù)測試,氨氣去除率計(jì)算公式為
(2)
式中η——氨氣去除率,%
Cin——入口處氨氣質(zhì)量濃度,mg/m3
Cout——出口處氨氣質(zhì)量濃度,mg/m3
(1)“高效”模式
系統(tǒng)在“高效”模式下連續(xù)測試時(shí)間共90 min,洗滌液的初始pH值設(shè)定為2.7,試驗(yàn)裝置進(jìn)出口處氨氣的質(zhì)量濃度變化、去除率和洗滌液的pH值變化曲線如圖8所示。試驗(yàn)裝置入口處的氨氣質(zhì)量濃度在21.52~35.96 mg/m3波動,pH值在2.7~3.7之間時(shí),出口處氨氣質(zhì)量濃度在3.20~5.90 mg/m3小幅波動,氨氣去除率基本維持在82%以上,由于pH值較低,洗滌液內(nèi)H+濃度較高,加強(qiáng)氨氣向銨態(tài)的轉(zhuǎn)移,提高了系統(tǒng)去除氨氣的能力;pH值在3.7~6之間時(shí),pH值升高速度較快,出口處的氨氣質(zhì)量濃度隨pH值呈緩慢上升趨勢,氨氣去除率逐漸降低,由于pH值升高,洗滌液內(nèi)H+濃度降低,系統(tǒng)去除氨氣的能力隨之下降[28]。
(2)“經(jīng)濟(jì)”模式
圖9 進(jìn)出口氨氣質(zhì)量濃度、去除率變化曲線Fig.9 Changing curves of inport and export of ammonia and removal efficiency
根據(jù)兩種控制模式的氨氣去除率對比,研究發(fā)現(xiàn)采用以酸性洗滌液為主的化學(xué)法對氨氣的去除效果明顯,且洗滌液pH值在3以下時(shí),氨氣去除率可保持在85%左右,表明過量的酸對于氨氣去除率的提升沒有顯著作用,這與文獻(xiàn)[8]中的研究結(jié)論基本相同,但對于維持系統(tǒng)高效除氨的能力非常重要;采用以清水洗滌液為主的水洗法對氨氣的去除效果一般,但仍然可以滿足當(dāng)前國內(nèi)畜禽場的應(yīng)用需求,且系統(tǒng)運(yùn)行成本相對較低。同時(shí),通過出口處氨氣質(zhì)量濃度變化可以看出,系統(tǒng)對氨氣氣流的均勻效果較好,增強(qiáng)了系統(tǒng)的凈化能力。
綜上,本研究設(shè)計(jì)的復(fù)合凈化系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)顯著的廢氣凈化效果,還能通過控制模式的切換滿足不同凈化效果要求以及有效降低運(yùn)行成本。
復(fù)合凈化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本主要由建設(shè)成本和運(yùn)行成本兩方面組成,通過量化經(jīng)濟(jì)成本中各部分的數(shù)據(jù)指標(biāo),對比得出凈化系統(tǒng)的投資比例情況及不同控制模式下的消耗量,有助于為豬舍廢氣凈化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用提供依據(jù)。
運(yùn)行成本核算需結(jié)合硫酸消耗、廢水排放、電能消耗和廢液回收率等參數(shù)進(jìn)行綜合考慮?!案咝А蹦J较庐a(chǎn)生的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%~36%的硫酸銨廢液接近于工業(yè)級氮肥,可作為液態(tài)肥料回收,回收率可以達(dá)到75%。同時(shí),為避免出現(xiàn)硫酸銨在洗滌液中沉淀的情況,通??刂屏蛩徜@質(zhì)量濃度在150 g/L,約為其最大溶解度的40%,以實(shí)現(xiàn)最小的廢水排放率[20]。PLC控制系統(tǒng)因主要采用低功耗的器件與儀表,使凈化系統(tǒng)的總體電能消耗主要取決于洗滌泵的耗能。在未考慮因蒸發(fā)造成的洗滌液損失及廢水處理費(fèi)用的情況下,凈化系統(tǒng)以采用平均功率為4 kW的洗滌泵為例,“高效”、“經(jīng)濟(jì)”模式下的運(yùn)行成本估算對比如表2所示。
表2 運(yùn)行成本估算對比Tab.2 Comparison of estimated operating cost data
建設(shè)成本由基建費(fèi)用、填料費(fèi)用、耗材費(fèi)用及控制系統(tǒng)費(fèi)用組成,額度和各項(xiàng)占比與凈化系統(tǒng)的建設(shè)規(guī)模和器材規(guī)格等因素有關(guān),根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料與實(shí)際工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),其中基建費(fèi)用占比37%,填料費(fèi)用占比28%,耗材費(fèi)用占比5%,控制系統(tǒng)費(fèi)用占比30%。
本凈化系統(tǒng)已經(jīng)在江西省某種豬場成功搭建應(yīng)用,現(xiàn)場工程圖如圖10所示。整套系統(tǒng)安裝于妊娠舍的末端排風(fēng)口外側(cè),采用鋼架構(gòu)搭建而成,主控制室位于系統(tǒng)鄰側(cè),與廢氣收集壓力室之間有進(jìn)出通道,方便用戶進(jìn)行日常維護(hù),所有與洗滌液接觸的部分均實(shí)現(xiàn)了防腐處理,使用壽命長。因系統(tǒng)配備有“自動/手動”模式和“高效/經(jīng)濟(jì)”模式切換,用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活運(yùn)行凈化系統(tǒng)。
圖10 凈化系統(tǒng)工程圖Fig.10 Engineering diagram of purification system
整套凈化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,除臭效果顯著,節(jié)約人力成本,配套有供水系統(tǒng)、排污溝道等,排放的廢物可作為液態(tài)肥料的原料進(jìn)行利用,不產(chǎn)生二次污染,極大地改善了豬場周邊的空氣環(huán)境。
(1)控制系統(tǒng)采用控制因素的雙限值調(diào)控策略,同時(shí)針對硫酸溶解慣性較大的問題,采用定時(shí)定量與pH值調(diào)節(jié)相結(jié)合的加酸方法,有效避免了酸過量添加造成洗滌液過酸的情況,該調(diào)控策略可以為畜禽養(yǎng)殖末端廢氣凈化系統(tǒng)的自動化研究提供參考。
(2)利用凈化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制系統(tǒng)調(diào)試,以氨氣作為試驗(yàn)廢氣,開展了在“高效”、“經(jīng)濟(jì)”模式下的除氨試驗(yàn)研究,兩種控制模式下平均氨氣去除率可分別達(dá)到85%和50%,檢驗(yàn)了系統(tǒng)的凈化效果和工作穩(wěn)定性。
(3)復(fù)合凈化系統(tǒng)整體建設(shè)成本中,通常投資比例最大的是基建費(fèi)用,占37%。以化學(xué)法為主的“高效”控制模式,增強(qiáng)了系統(tǒng)的凈化能力,但會顯著提高運(yùn)行成本。